【5.5.2】描述抗体中的VH-VL方向--ABangle

抗体的结合位点在其抗原结合片段(Fab)的两个可变结构域VH和VL之间形成。了解VH和VL如何相互定向对于研究抗原特异性和亲和力的机制以及改进抗体建模,对接和工程都很重要。 通常使用诸如RMSD (root-mean-square deviation)相对测量来描述不同的VH-VL取向。最近,还使用VH-VL填充角(packing angle)的绝对测量来表征取向。 但是,单个角度无法完全描述所有方向模式。在这里,我们提出了一种方法,使用五个角度(HL,HC1,LC1,HC2和LC2)和距离(dc),在一致和绝对意义上完全表征VH-VL方向。此外,我们提供了一种计算工具ABangle,可以自动计算任何抗体的VH-VL方向,并与所有其他已知结构进行比较。我们比较了之前的研究,并展示了如何确定方向模式与不同角度的运动有关。因此,我们能够解释为什么不同的研究将不同的结构簇和不同的残基鉴定为重要的。 鉴于此结果,我们然后确定那些影响每个角度测量方向的位置及其残留物身份。最后,通过分析结合和未结合形式的VH-VL方向,我们发现蛋白质抗原特异性抗体的未结合形式比半抗原抗原特异性抗体明显更灵活。

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一、前言

近年来治疗性抗体的成功推动了计算技术的发展以帮助其设计(Kuroda等,2012)。 该过程的关键是理解抗体的抗原结合片段(Fab)的结构特征。 特别地,其可变结构域VH和VL,统称为Fv

有效的免疫系统必须具有特异性识别几乎无限数量的潜在致病分子的能力。 这种特异性范围由抗体抗原结合位点的化学组成和形状的多样性提供(Amzel和Poljak,1979)。 大多数这种多样性被认为是通过六个环的序列和结构的变化来实现的,称为互补决定区(CDR,complementarity determining regions)(Wu和Kabat,1970)。 三个CDR位于每个可变域上:VL上的L1,L2和L3; VH上的H1,H2和H3(Chothia等, 1989)。 两个结构域VH和VL非共价结合以使CDR接近并形成它们之间的抗原结合位点(Chothia等,1985; Vargas-Madrazo和Paz-Garcı’a,2003)。

结合位点的几何结构通过VH和VL结构域相互定向来进一步调节(Colman等,1987; Colman,1988; Foote和Winter,1992)。 已经提出这种变异作为增加抗体特异性库的另一种机制(Davies和Metzger,1983; Chothia等,1985; Stanfield等,1993; Khalifa等,2000; Vargas-Madrazo和Paz- Garcı’a,2003)。 一些研究还观察到VH-VL界面中框架位置(framework positions)(即不在Fv的CDR中的那些)的残基突变可以起到改变抗原亲和力的作用(Riechmann等,1988; Foote和Winter,1992; Banfield) 等,1997)。 这些位置远离结合位点并且不能与抗原直接接触。 因此,它们对抗原亲和力的影响必须归因于结合位点几何结构的结构变化:修饰VH-VL方向。

通常,当前用于建模抗体结构的计算工具在预测VH-VL姿势时采取保守方法(Whitelegg和Rees,2000; Marcatili等,2008; Almagro等,2011)。 大多数方法从具有高序列相似性的已知Fv复制方向。 也许最复杂的算法,Rosetta抗体(Sircar等人,2009; Sivasubramanian等人,2009),尝试使用取向采样方案来优化姿势。 最近,已经尝试系统地识别Fv内影响域间取向的位置(Abhinandan和Martin,2010; Chailyan等,2011)。 为了解决这个问题,需要对VH-VL方向进行一致的描述

在对任何两种蛋白质结构进行比较时,通常使用基于距离的度量,例如等效原子的均方根偏差(RMSD)。这种措施已被用于一些研究以量化在VH-VL取向为结构的特定对的相对变化(例如Li等,2000; Narayanan等,2009;塞拉-Culang等人,2012)。在其他情况下,已经报道了在两种构象之间旋转所需的角度(Colman等人,1987; Stanfield等人,1993; Banfield等人,1997; Teplyakov等人,2011)。虽然这些相对测量确实量化了结构域方向的变化,但它们并不一致地报告抗体结构之间姿势如何变化。例如,虽然两对结构都可能相差2.5A˚RMSD,但是人们无法分辨两对结构是否一致。此外,没有直接的方法来说明这些对彼此之间的关系。类似地,可以报告每对的旋转角度(Stanfield等人,1993; Banfield等人,1997; Teplyakov等人,2011)。但是,可以沿任意轴报告角度,使得其方向不清楚。

尽管抗体Fv的CDR是高度可变的,但VH和VL结构域的框架区(Fv)的结构是相对保守的(Chothia等,1989)。 在VH和VL中,框架都具有b-sandwich结构。 这种保守性可用于在绝对意义上定义VH-VL方向。 在这样做时,可以量化抗体Fv的结构空间。

Abhinandan和Martin(2010)用VH-VL填充角定义了这种绝对测量。 这是在通过VH结构域的界面b-sheet片段中的保守位置的Ca坐标向量与VL结构域上的相对应的向量之间测量的扭转角。 它们的填充角度(packing angle)在已知分子中从-60.88变化到 -31.08,并允许每种抗体置于结构空间的绝对尺度上。 通过VH-VL方向的定义,Abhinandan和Martin能够选择对确定构象有影响的位置:L38,L40,L41,L44,L46,L87,H33,H42,H45,H60,H62,H91和H105。 Chothia编号方案(Chothia和Lesk,1987)。

Chailyan等人采取了不同的方法。 (2011年)。他们专注于通过使用相对测量,全球距离测试(global distance test)- 高准确度来鉴定抗体结构中不同类型的VH-VL界面(Zemla,2003; Read和Chavali,2007)。该度量通过评估可以在不同距离阈值内叠加的相应位置的分数来计算两个结构之间的结构相似性。对101个Fv区的VH-VL界面结构相似性的分析基本上鉴定了两个抗体结构簇(A和B)。 Sivasubramanian等人也发现了类似的聚类。 (2009)使用RMSD测量。鉴于这种聚类,预计会观察到可变结构域和结合位点几何结构的方向差异。的确,Chailyan等人。计算出B组中的结构具有明显小于A中结构的结构区域。B中的结构也被发现对较小的抗原具有特异性。

然而,在Abhinandan和Martin的VH-VL取向的填充角(packing angle)测量中没有观察到等效聚类。 此外,Chailyan等人发现最好区分簇(L8,L28,L36,L41,L42,L43,L44和L66)仅与Abhinandan和Martin的两个位置L41和L44一致。 正如最近的一篇综述(Kuroda et al。,2012)所强调的那样,这种不一致可能是由于单个扭转角无法捕获域之间的所有取向变化模式。

在这里,我们描述了一种在绝对意义上完全表征VH-VL方向的方法。 这允许我们将单个Fv区域的VH-VL姿势与所有其他已知结构的VH-VL姿势进行比较。 该方法已在计算工具ABangle中实现,该工具可在http://opig.stats.ox.ac.uk/webapps/abangle获得。 为了证明它的用途,我们比较了Chailyan等人的聚类在方向上的不同。 我们解决了分配给Abhinandan和Martin的包装角度以及Chailyan等人的聚类的重要位置的明显差异。 另外,我们使用ABangle来找到对确定VH-VL方向最有影响的那些位置及其残基同一性。 最后,一个案例研究分析序列相同的Fv结构中的方向保守性表明,与半抗原抗原结合的那些比那些与更大的蛋白质抗原结合的那些更具刚性。

参考资料

  • ABangle: characterising the VH–VL orientation in antibodies
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